水声通信技术

1、水声通信技术水声通信是海洋中无线信息传输的主要技术手段。水声 通信技术在海洋环境监测、水下航行器/载人潜水器作业等方 面有着广泛应用。水声通信及网络可灵活地用于不同的速率 载荷、覆盖距离、水体深度、网络结构的情景，可广泛地应 用于海洋环境观测，实现水下不同空间位置多个观测设备之 间的信息交互。同时，水声信道传输状态多变、海洋作业环 境恶劣，对通信算法和设备可靠性有较高要求，水声通信及 组网成为目前的研究热点。水声通信网络在国外已有20a发展历史，开展较早且具有代表性的是美国的Seaweb网络。美国的Seaweb网络经过多年的试验，实现了多固定节点的 组网、自适应节点路由初始化、潜艇和 AUV的

2、数据接入、 利用固定节点对 AUV定位、分簇网络等多种功能，在基于 卫星浮标的远海观测网、港口近岸的水下侦查网络及军用水 下航行器指令传输及定位等应用中展示了很好的应用效果 和技术先进性。欧洲也开展了试验研究。近年来，在国家“ 863”计划、军方、国家自然科学基 金等支持下，我国水声通信领域在通信算法、通信机研制、 网络协议仿真、组网应用试验、协议规范制定等方面取得长 足进步。本文主要介绍面向海洋环境监测的水声通信网技 术，并对未来的技术趋势进行展望日 斤团吗水声通信信道是复杂的信道，信道带宽窄、传播速度慢、 时变性强、频率选择性衰落、噪声严重等不利因素在水声通 信信道中都很明显。如何针对水声

3、信道特点，采取高性能、 可实现的通信算法，是水声通信领域的关键问题。物理层主 要解决利用信道进行点对点的可靠通信的问题，物理层技术 方案主要包括调制解调和纠错码两部分内容。对于水声通信 中的调制解调技术，一般根据接收端是否恢复原始载波相位 可划分为相干通信和非相干通信、相干水声通信相干通信需要在接收端恢复原始载波相位信息，一般应 用于信道不太恶劣的情况。相干通信信道利用率高，一般超 过1bps/Hz,即传输比特速率超过信道频率宽度。如果信道 衰落严重，采用多阵元接收的方式获得空间分集。相干水声通信根据发射载波数目，可划分为单载波调制 和正交频分复用调制（OFDM）。在时变多径信道下，如果参 数

4、设置合理，采用最佳接收处理算法，二者性能基本一致。 单载波的优势在于发射端不依赖信道状态信息，发射机工作 效率高。OFDM的优势在于：频域均衡计算量小，利用加长 符号周期可直接克服多径。 如果OFDM在发射端载波间隔等 参数不适合信道状态，将影响通信效果。二者结合实现优势 互补，例如单载波发射频域均衡技术和多载波并行传输技术 （一般4个或者8个载波）也是目前在研究的内容。时间反转通信技术是针对水声信道特点的接收处理方 法，用于多阵元接收，简化接收机复杂度。未来的时间反转 通信研究将基于时变信道模型开展。未来相干水声通信研究将针对水声信道特点，充分利用 信道的空间特性、信道冲击响应稀疏特性、噪声

5、突发特性， 利用迭代技术，实现可靠的高阶调制通信，并降低计算复杂 度，实现低信噪（混）比要求、低计算量、高传输速率的可 靠水下通信。在国家“863”水声通信网项目中，采用单载波（中科院声学所）和 OFDM （哈尔滨工程大学）两种相干 通信方案，并对单载波调制时间反转技术（浙江大学）进行 了研究。二、非相干水声通信在非相干通信中，接收端不需要恢复原始载波相位信 息。非相干通信可应用于信道较为恶劣的情况，一般采用单 阵元接收即可。非相干通信信道利用率低，传输比特速率小 于信道频率宽度，相对于相干通信每比特传输能耗大。在相 干、非相干并存的通信系统中，大量数据传输一般优先采用 相干通信。非相干通信常

6、见方式为编码频域调制，在接收端进行匹 配滤波、平方率检测、纠错译码即可，算法简单，鲁棒性好。 非相干通信技术相对成熟，国外商品化的水声通信机一直沿 用非相干技术作为首要通信方式。在国家“863”水声通信网项目中，采用多进制卷积码、恒重码、开关键控调制（OOK） 的方案作为信令、低速数据传输的方式，保证不同参加单位（中科院声学所、中船重工 715所、哈尔滨工程大学）研制 的水声通信机之间的互通。未来如各单位硬件平台能够支 持，将采用基于多进制 LDPC码的非相干方案。扩展频谱通信中的跳频通信、直接序列扩频通信也属于 非相干通信，与编码频域调制相比速率更低。扩展频谱通信可以实现码分多址（CDMA）

7、,在多移动平台协同作业等交互 频繁的网络中可实现多节点的快速接入和并行的信息交互， 但同时带来了远近效应、码同步等技术问题。在海洋环境监 测的应用中，网络吞吐量较低，一般不采用CDMA技术。三、信道纠错码技术纠错码技术包括传统的卷积码、代数码，及基于迭代译 码的turbo码、低密度奇偶校验码（LDPC码）。在水声通信中, 为提高通信系统性能，应采用基于迭代译码的纠错码，即 turbo码或者LDPC码，这对通信机信号处理平台研制提由一 定的要求。同时，迭代技术不只用于译码本身，在接收处理 中对解调、信道均衡、信道估计、信道纠错码进行联合迭代 处理，即turbo均衡技术，可以提高整个接收机的性能，同 时对水声通信机处理能力要求更高。四、水声通信节点技术节点技术涉及到换能器技术、低功耗硬件处理平台、耐 压水密结构等。低功耗硬件处理